CN1714177A - 由接触环造型控制的电镀均匀性 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种在处理系统中为衬底提供电偏置的装置。所述装置一般包括一个限定中央开口的导电环形体。所述导电环形体可具有一个适合接收衬底的衬底支持面和多个形成在与衬底支持面相对的表面上的凸出。多个电触点可形成在所述衬底支持面上,与所述多个凸出相对。所述电触点可适合接合衬底的电镀表面。

Description

由接触环造型控制的电镀均匀性
技术领域
本发明的实施例一般涉及电化镀层,更具体地,涉及在电化镀层处理期间用于对衬底提供电偏置的接触环。
背景技术
次1/4微米(sub-quarter micron)大小的部件的金属化是现在和未来的集成电路制造工艺的基本技术。尤其是,在比如超大规模集成类型的器件中,也就是具有超过百万的逻辑门的集成电路的器件,位于这些器件中心的多层互连一般是通过用导电材料,比如铜或铝填充高纵横比(例如大于约4∶1)的互连部件形成的。传统上,沉积技术比如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)一直被用于填充这些互连部件。但是,随着互连件尺寸的减小和纵横比的增加,经由传统金属化技术的进行无空隙互连部件填充变得越加困难。结果,出现了镀层技术,比如电化镀层(ECP)和化学镀层作为有前途的工艺,用于集成电路制造工艺中次1/4微米大小的高纵横比互连部件的无空隙填充。
在ECP工艺中,例如,形成在衬底表面(或沉积于其上的层)的次1/4微米大小的高纵横比部件被导电材料比如铜有效地填充。ECP电镀工艺通常是两阶段工艺,其中种子层首先在衬底的表面部件上形成,然后衬底的表面部件暴露于电镀液,并同时在衬底和电镀液内的铜阳极之间应用电偏置。电镀液一般含丰富的离子,这些离子将被镀到衬底的表面上,因此,电偏置的应用导致这些离子从电镀液析出并被镀到种子层上。
经由导电接触环,电偏置典型地被应用到形成在衬底上的种子层。为了努力给衬底提供均匀的电偏置,接触环可具有多个电触点,这些电触点以均匀的间隔沿着衬底的周边与种子层电接触。电触点典型地向衬底的种子层施加负电压,生成穿过种子层的电流密度,种子层具有相关联的电阻。通过种子层到电触点的电流通路在远离电触点的位置增加,这些远离电触点的位置相对于更靠近电触点的位置而言。遗憾的是,伴随着电流通路的增加,种子层电阻也增加,这导致在触点之间的位置的电流相对于触点处或靠近触点的位置的电流会有所减小。通常,这种电流减小导致在种子层上该位置的电镀减少。因此,触点之间的这种电流减少可导致沿着衬底周边的电镀不均匀,即触点之间的电镀较少,而触点处或靠近触点的位置的电镀较多。
因此,需要一种在电化沉积系统中使用的改进的接触环,其可以改进沿着衬底周边的电镀均匀性。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种用于在处理系统中给衬底提供电偏置的装置。所述装置一般包括一个限定中央开口的导电环形体,所述导电环形体具有一个适合接收衬底的衬底支持面和多个形成在与所述衬底支持面相对的表面上的突起。多个电触点可形成在所述衬底支持面上,与所述多个突起相对,所述电触点适合接合衬底的电镀表面。
另一个实施例提供一种在处理系统中固定衬底的装置,其一般包括一个接触环,该接触环包括限定中央开口的导电环形体,所述导电环形体具有一个衬底支持面、多个安放在所述衬底支持面上的电触点,所述电触点适合接合衬底的电镀表面,和多个在与所述衬底支持面相对的表面上与所述电触点相对形成的突起。所述装置还可包括一个止推板组件,其包括一个适合在衬底上施加固定力的止推板,以把衬底固定到所述衬底支持面上。
另一个实施例提供一种制造接触环的方法,所述接触环用于在处理系统中给衬底提供电偏置。所述方法一般包括提供一种导电环形环,其具有基本平坦的、适合接收衬底的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面,其中多个突起从所述第二表面延伸,且在所述导电环形环的所述第一表面上形成多个电触点,其中所述多个电触点是相对所述多个突起形成的。
附图说明
以上叙述的本发明的特征可被详细理解,以上简要总结了本发明,本发明的更具体描述可参考实施例,某些实施例在附图中说明。但是,应该注意的是,附图仅仅说明本发明典型的实施例,因此不被认为是限制其范围,因为本发明可承认其他同样有效的实施例。
图1依据本发明的一个实施例说明示例的电镀单元。
图2是依据本发明的一个实施例的接触环和止推板的立体图。
图3A-3D是依据本发明实施例的接触环的详细横截面视图。
图4A-B分别是说明使用传统的接触环和依据本发明实施例的接触环所实现的电镀均匀性图。
图5A-5F是依据本发明的另一个实施例说明在制造过程的不同步骤的示例接触环。
具体实施方式
依据本发明的某些方面,提供一种具有多个电触点的接触环,以给处理系统中的衬底提供电偏置。接触环的平均厚度可经由形成在接触环中的、在所述触点之下的突起或“凸出(scallop)”来增加。通过补偿存在于所述触点之间的增加的种子层电阻,凸出可帮助控制所述触点之间的电流密度的变化。
在此使用的术语凸出一般指的是部分接触环,其在触点或靠近触点处相对于在触点之间的(更薄的)接触环部分而言具有增加的厚度。例如,凸出可形成在接触环的底表面上,在电触点之下。此外,在此使用的顶部和底部是相对的术语,不限于任何特定的方位,一般指远离电镀槽的接触环部分(顶部)或面向电镀槽的接触环部分(底部)。换句话说,在衬底的电镀表面朝上的处理系统中,这里所指的接触环的顶表面可能实际上面朝下。
图1依据本发明一个实施例描述了示例电化镀层(ECP)系统100的部分透视图和截面图,电化镀层系统100利用了具有凸出156的接触环150。ECP系统100一般包括头组件102、衬底固定组件110和电镀槽组件161。头组件102由支撑臂106连接到基座104。头组件102适合于在电镀槽组件161之上的位置支撑衬底固定组件110,其支撑方式使得头组件102能够在电镀槽165中定位衬底120(被固定在衬底固定组件ll0中),以进行处理。头组件120还适合于在衬底120被放入到电镀槽165之前、之中和之后,给衬底固定组件110提供垂直运动、转动和角运动。
电镀槽组件161一般包括内槽167,其包含在更大直径的外槽163内。可使用任何合适的技术向电镀组件160供应电镀液。例如,电镀液可通过在内槽167底表面的入口166供应到内槽167。入口166可连接到供应线,该供应线例如来自储存器系统(没有示出)。外槽163可收集来自内槽163的液体,并通过液体排放管168排出收集的液体,排放管168也可连接到电解液储存器系统。
阳极组件170一般位于内槽163的较低区域内。阳极组件170可以是任何合适的可消耗的或非消耗类型的阳极。对于某些实施例,膜片(没有示出)一般跨越内槽的直径,位于阳极组件170之上。所述膜片可以是任何合适类型的膜片,比如阳离子膜片、阴离子膜片、不带电的膜片或多层扩散分化可渗透(multi-layer diffusiondifferentiated permeable)膜片。可使用任何合适的方法给阳极组件170提供电连接。
例如,到阳极组件170的电连接可通过阳极电极接头174提供。阳极电极接头174可由任何合适的导电材料制作,导电材料在电镀液中是不溶解的,比如钛、铂和铂涂敷的不锈钢。如所说明的,阳极电极接头174可延伸通过电镀槽组件161的底表面,且可连接到电源(没有示出)的阳极接头,例如,通过任何合适的布线管。电源的阴极接头可连接到接触环150,以在阳极组件170和衬底120之间提供电偏置。响应于阳极组件170和衬底120电镀表面122之间施加的电偏置,由电流通量线180表示的电流一般从阳极组件170流到衬底120。电流通量线180倾向于在衬底120的周边汇集。因此,接触环150可包括多个凸出156,其一般形成在多个触点154之下。凸出156可用来在触点154或靠近触点154处控制在衬底120周边的电流通量线180,努力控制沿着衬底120周边的电流密度,如以下将更详细描述的那样。
                    衬底固定组件
衬底固定组件110一般包括通过连接元件116连接到接触环150的安装元件112。连接元件116可充分间隔以允许插入衬底120(即连接元件116的间隔可大于衬底120的直径)。安装元件112可经由止推板组件的安装板146,使衬底固定组件110连接到头组件102。衬底固定组件110的其他实施例可能缺少安装元件112,且例如可经由接触环150直接连接到安装板146。安装元件112、接触环150和连接元件116各个可涂上抗电镀的材料,比如PTFE材料(例如Aflon或Tefzel),或任何其它合适的抗电镀涂敷材料。
接触环150可使衬底支持面152一般适合接收衬底120,该衬底的电镀表面122朝向电镀槽165。衬底固定组件110还可包括止推板144,止推板连接的密封板142一般适合把固定力施加到衬底120上,用于固定衬底120到衬底支持面152上。由止推板144施加的固定力可足以确保放置在密封板142上的环形密封元件148和衬底的非电镀表面124之间的充分密封。如所说明的,由于触点154接合衬底的电镀表面122,环形密封元件148可适合于在从衬底边缘径向向内的基本相同的位置接触衬底120的非电镀表面124。对于某些实施例,衬底固定组件110可包括可膨胀的囊状物组件(没有示出),其适合施加沿着衬底120的非电镀表面124均匀分布的向下力。
由止推板144施加的固定力也可足以确保衬底电镀表面122和触点154之间的充分电接触,触点154从接触环150的衬底支持面152延伸。触点154一般适合电接触衬底120的电镀表面122,以向电镀表面122提供用于电镀的电偏置。触点154可由任何合适的导电材料制造,比如铜(Cu)、铂(Pt)、钽(Ta)、钛(Ti)、金(Au)、银(Ag)、不锈钢、其合金或任何其他合适的导电材料。
如图2所示,触点154可形成在凸出156之上,其一般是围绕接触环150的衬底支持面152的环形图案。触点154的数量可变,例如根据衬底120(在图2中未显示)的大小变化。触点154也可以是弹性的从而以不一致的高度接触非电镀表面。可通过电源(没有显示)给触点154供电。电源可给所有电触点154共同供电,给电触点154的组或群分别供电,或者给单个触点154供电。在电流是供应给触点组或单个触点154的实施例中,可使用电流控制系统控制施加给每个组或引脚(pin)的电流。
对于某些实施例,接触环150、连接元件116和安装元件112可都由导电材料制造。和触点154一样,接触环150、连接元件116和安装元件112可由合适的导电材料制造,且对于某些实施例,它们可由不锈钢制造。据此,连接元件116可电连接安装元件112和接触环150。因此,可通过安装元件112和电源之间的一个或更多电连接给触点154供电。
此外,对于某些实施例,安装元件112可与止推板安装板146物理连接和电连接,安装板146也可由导电材料制造并连接到电源。安装元件112或安装板146可经由任何合适的连接装置连接到电源,当衬底固定组件110被图1的头组件102移动(也就是,提升、下降和转动)时,连接装置适合给触点154供电。
如前所述,密封板142可连接到止推板144。止推板144适合独立于接触环150移动(上或下),以通过密封元件148向衬底的非电镀表面上施加固定力,从而固定衬底到接触环150的衬底支持面152。密封元件148可被设计成提供触点154和衬底电镀表面之间的均匀接触力。
例如,密封元件148可由柔韧材料制造,其被设计成减小密封元件148的有效弹簧常数。换句话说,密封元件148可压缩以适合衬底非电镀表面中的轻微的不均匀(或环形密封元件148中的轻微的不均匀)。例如,由于密封元件148压缩,所以可能在密封最低点之前,需要较小的力密封非电镀表面的最高点。最高点和最低点之间的力差减少,在衬底的非电镀表面上的局部力,因而在与衬底电镀表面接触的触点154上的局部力可更加均匀。触点154上更加均匀的力可导致均匀的接触电阻和改进的电镀均匀性。
多个凸出156可形成在多个触点154之下的接触环150的底表面上。凸出156的大小和形状不限,且可根据不同的应用变化。例如,如图2所示,形成在触点154之下的凸出156基本是矩形形状。但是,对于其他应用,凸出可以是其他形状,包括但不限于圆形(例如半圆柱或半球形)和三角形(例如金字塔或锯齿状)。如所说明的,凸出156可从接触环150的底表面延伸(例如与衬底支持面152相对)。但是,对于其他实施例,凸出可从衬底支持面152延伸,相当于抬升触点154。
图3A是接触环150的详细横截面图。如所示的,接触环150具有触点154之间的厚度t1,和在凸出156处的厚度t2。厚度t1是从衬底支持面152到触点154之间的接触环150底表面162测得的,而厚度t2是从衬底支持面152到触点之下的接触环150底表面164测得的。一般,随着t2增加,在触点154或靠近触点154处的电流密度减小,且在触点154或靠近触点154处的电镀量减少。类似地,随着t1减小,触点之间的电流密度增加,且触点154之间的电镀量增加。通过控制厚度t2对t1的比率,可使电流密度均匀,因此沿着衬底120周边的电镀厚度的不均匀性可减小。
如所示的,接触环150可由被抗电镀涂层158包裹的导电芯子160形成。对于某些实施例,导电芯子160可以是一块固体的导电材料。触点154可从电镀表面152延伸穿过抗电镀涂层158。为了最大化电镀表面122暴露给电镀液的表面面积,触点154可适合于在周边或靠近周边处接合衬底120的电镀表面122。例如,对于不同实施例,触点154可以适合于从距离衬底120边缘少于5mm(例如2.5mm或4.5mm)处接合电镀表面122。如前所述,止推板组件可包括密封元件(在图3A中没有显示),密封元件适合于在和触点154正好相对的位置向衬底120的非电镀表面124施加固定力,以靠着接触环150的衬底支持面152固定衬底120。密封元件可适合于在触点154和电镀表面122之间提供均匀的密封力,其可有助于提供均匀的接触电阻,这有助于提供遍布电镀表面122的均匀电流。
如图3B所示,对于某些实施例,连接到接触环150的密封元件130可适合于从电触点154径向向内地接合衬底120的电镀表面122。据此,密封元件130可为触点154屏蔽电镀液流,这也可有助于提供均匀的接触电阻,例如,通过防止触点154上的电镀。
电镀表面122上的任何位置的电流一般和种子层电阻、接触电阻和电极电阻之和成反比。如前所述,在触点154之间的电镀表面122上的位置可比在触点154或靠近触点154的电镀表面上的位置具有更大的有效种子层电阻。种子层电阻的这种增加可能导致电流减小,因此导致触点154之间的电镀减少。然而,如图3C和3D所示,更厚尺寸的凸出156可补偿触点之间增加的种子层电阻,因此减少沿着电镀表面122周边的电流变化。
图3C示出了电流通量线180伸展到触点154之下的电镀表面122,而图3D示出了电流通量线180伸展到触点154之间的电镀表面122。如所示的,在任一情况下,通量线180倾向于沿着接触环150挤在一起,这有效增加了电镀液的有效电阻。但是,由于凸出156增加了厚度,所以图3C中的通量线180比图3D中的通量线180挤在一起的距离更长。据此,在凸出156之间的区域中,电镀液的有效电阻更小,这可补偿在触点154之间增加的种子层电阻。
图4A-B的图表分别说明使用传统的接触环和有凸出的接触环所实现的电镀均匀性。每个图显示了沿着具有40nm种子层的2个300mm衬底的周边的取样电镀厚度。电镀厚度是沿着周界的半个象限(例如45度)取样的。如所示的,半个象限可能包括6个触点,在图中标识为引脚(也就是总共有48个触点)。图4A的样本衬底是使用具有大约7mm均匀厚度(即,触点下和触点之间的厚度)的传统接触环被电镀的。图4B的样本衬底是使用有凸出的接触环被电镀的,该接触环在触点之间的厚度为5mm(t1),在触点之下的厚度为7mm(t2)。如图4A所示,使用传统的接触环,电镀厚度在触点或靠近触点处增加,在触点之间减少。例如,电镀厚度可从触点或靠近触点处的大约8000埃变化到在触点之间的位置的小于6500埃。相反,如图4B所示,使用有凸出的接触环,电镀厚度只轻微变化。当然,对于不同的实施例和不同的应用,实际的电镀均匀性可能变化。
据此,对于不同的应用,凸出的大小和形状可变化,以实现最优的电镀均匀性。例如,凸出之间的接触环的厚度(t1)和接触环的厚度(t2)可基于不同的应用参数变化,比如种子层厚度、所希望的电镀厚度、衬底尺寸、电偏置的强度和被电镀的材料等等。换句话说,增加t2是减少在触点或靠近触点处的电镀厚度所必须的,而减少t1是增加触点之间的电镀厚度所必须的。如以上例子所示,对于一个实施例,厚度t2可为大约7mm,而厚度t1可为大约5mm。厚度t2(在触点之下)典型地在3mm到9mm之间,而厚度t1(在触点之间)典型地在1mm到5mm之间。
                      接触环制造
如上所述,均匀的接触电阻也可促进均匀的电镀厚度。因此,对于某些实施例,可根据具有确保均匀接触电阻的操作的工艺来制造接触环。图5A-5F示出了依据本发明的另一个实施例,在制造过程的不同步骤的示例接触环550的顶视图(例如,向下看衬底支持面)。
例如,在图5A中,接触环550可包括单块导电材料560(例如不锈钢)。通过粘合一块接触材料570到接触环550上,可在接触环550上形成触点。可通过任何合适的粘合技术,比如软焊或焊接把这块接触材料570粘合到接触环550上。(一般,软焊在熔点低于450℃的金属上进行的,而硬焊是在熔点高于450℃的金属上进行的。)对于某些实施例,这块接触材料570可通过硬焊工艺粘合。例如,这块接触材料570可放置在形成于接触环550中的空穴562内,接触材料570的顶部突出在空穴562的顶表面之上。
如图5B所示,一块或多块硬焊材料572可邻接接触材料块570放置在空穴562中。通常,硬焊材料572的熔点也应该在导电材料560和接触材料570的熔点之下。也可选择具有高抗腐蚀性、高纯度以避免污染、在硬焊温度具有低汽压和能够润湿接触材料570和导电材料560的硬焊材料572。例如,对于某些实施例,接触材料570可以是熔点大约为2230℃的铂铟合金(例如85%的铂,15%的铟),且导电材料560可以是熔点大约为1650℃的不锈钢。用于硬焊铂铟合金触点到不锈钢接触环(例如,具有上述的性质)的合适的硬焊材料572的一个例子是熔点大约为1220℃的钯钴合金(例如65%的钯,35%的钴)。换句话说,接触环550可被加热(例如在熔炉中)到高于硬焊材料572熔点的温度(例如高于1220℃),导致硬焊材料572熔化并形成单个硬焊材料块574,硬焊材料块574把接触材料570固定到接触环550,如图5C所示。硬焊的优点可包括增长的触点生命期、更均匀的触点高度和更均匀的接触电阻。
如前所述,一般希望最大化衬底的电镀表面积。因此,对于某些实施例,接触环550的内环部分,由图5D的虚线表示,可被除去(例如切割掉)以防止除去的部分挡住电镀液使其不能到达衬底,且允许正形成的触点靠近衬底的边缘接触衬底的电镀表面。
图5E示出了在除去内环部分后的接触环550。对于某些实施例,在涂敷抗电镀材料558的涂层之前(显示在图5F中),接触环550的导电材料560表面可被处理以增强抗电镀材料558到接触环550的粘附力。例如,导电材料560表面可被喷砂,这可能改变导电材料560的表面光洁度且增强抗电镀材料558的粘附力。喷砂也可防止抗电镀材料558随着时间滑过接触材料570的顶部,这可能阻碍衬底的电镀表面和触点之间充分的电接触,因此增加了接触电阻。此外,对于某些实施例,首涂材料层可涂敷到导电材料560的表面,除此之外或者替代的是喷砂表面,以增强抗电镀材料558的粘附力。
图5F示出了在涂敷了抗电镀材料558涂层之后的最终的接触环550。如所示的,接触材料570部分穿出抗电镀材料558涂层被暴露,允许接触材料570接合衬底的电镀表面。对于某些实施例,在涂敷抗电镀材料558涂层之前可遮掩接触材料570,以防止用抗电镀材料558涂覆接触材料。对于其他实施例,抗电镀材料558涂层可涂敷到接触材料570上,并随后除去。
虽然前述描述是针对本发明的实施例,但本发明的其他和更多的实施例能够在不偏离其基本范围的情况下导出,且其范围是由所附的权利要求确定的。

Claims (20)

1.一种在处理系统中给衬底提供电偏置的装置,包括:
一个导电环形体,其限定中央开口,具有适合接收衬底的衬底支持面;
多个电触点,其形成在所述衬底支持面上以接合所述衬底的电镀表面;和
多个突起,其形成在所述导电环形体的一个表面上,其中所述突起被定形,以当经由所述电触点给所述衬底提供电偏置时,沿着所述衬底的周边提供基本均匀的电流密度。
2.如权利要求1所述的装置,其中所述突起基本是矩形。
3.如权利要求1所述的装置,其中所述导电环形体的第一厚度是从所述衬底支持面到其上形成突起的表面测量的,其范围在所述突起处是从大约3mm到大约9mm,在所述突起之间是从大约1mm到大约5mm。
4.如权利要求1所述的装置,其中所述电触点被粘合到形成在所述导电环形体衬底支持面中的空穴。
5.如权利要求4所述的装置,其中所述电触点被硬焊到形成在所述导电环形体衬底支持面中的空穴。
6.如权利要求5所述的装置,其中所述电触点是由铂铟合金形成的,且使用钯钴合金作为硬焊材料被硬焊到所述空穴中。
7.如权利要求6所述的装置,进一步包括一个环形安装元件,其连接到所述导电环形体,用于连接到所述处理系统的衬底定位部件,其中所述环形安装元件是导电的,且所述环形安装元件经由导电连接元件与所述导电环形体电连接。
8.如权利要求7所述的装置,其中所述导电连接元件的间隔比所述衬底的直径大。
9.如权利要求1所述的装置,其中所述导电环形体包括一个固体的导电芯子,其涂敷有抗电镀材料,且其中所述电触点延伸穿过所述抗电镀材料。
10.一种处理系统,包括:
一个电镀槽组件,其包含电镀液,该电镀液包含要被电镀到衬底电镀表面的离子;和
一个衬底固定组件,其被配置以当暴露所述衬底到所述电镀液时固定所述衬底,所述衬底固定组件包括一个限定中央开口的导电环形体,多个电触点,其形成在所述导电环形体的衬底支持面上以接合所述衬底的电镀表面,和多个突起,其形成在所述导电环形体的一个表面上,其中所述突起被定形,以当经由所述电触点给所述衬底的电镀表面提供电偏置时,沿着所述衬底电镀表面的周边提供基本均匀的电流密度。
11.如权利要求10所述的处理系统,进一步包括一个止推板组件,其包括一个止推板以施加固定力到所述衬底上,以固定所述衬底到所述衬底支持面。
12.如权利要求11所述的处理系统,其中所述止推板组件进一步包括一个环形密封元件,当所述止推板在所述衬底上施加固定力时,所述环形密封元件接合所述衬底的非电镀表面。
13.如权利要求12所述的处理系统,其中所述环形密封元件被设计成当所述电触点接合所述衬底的电镀表面时,其在从所述衬底边缘径向向内的基本相等的距离处接合所述衬底的非电镀表面。
14.如权利要求12所述的处理系统,其中所述衬底固定组件电连接到所述止推板组件,且所述止推板组件连接到电源以给所述电触点供电。
15.如权利要求10所述的处理系统,其中所述电触点被粘合到形成在所述导电环形体衬底支持面中的空穴。
16.如权利要求15所述的处理系统,其中所述电触点被硬焊到形成在所述导电环形体衬底支持面中的空穴。
17.一种在电镀工艺期间控制沿着衬底周边的电镀均匀性的方法,包括:
经由多个电触点施加电偏置到所述的电镀表面,所述电触点形成在导电环形环的衬底支持面上,其中电偏置的应用产生沿着所述电镀表面周边的电流密度;和
经由多个突起控制沿着所述电镀表面周边的电流密度,所述突起形成在所述导电环形环的一个表面上,其中所述突起被定形,以补偿在所述电触点之间的电镀表面中增加的电阻。
18.如权利要求17所述的方法,进一步包括粘合所述电触点到形成在所述衬底支持面中的空穴。
19.如权利要求18所述的方法,其中粘合所述电触点到形成在所述衬底支持面中的空穴包括硬焊。
20.如权利要求19所述的方法,其中硬焊所述电触点包括使用钯钴合金作为硬焊材料硬焊所述电触点。
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